“Un gas non ha volume proprio né forma propria, occupa tutto il volume disponibile; un liquido ha un volume proprio ma non ha forma propria; un solido ha volume e forma propria”: questo è quanto i manuali scolastici affermano quando si definiscono gli stati di aggregazione della materia. Al variare della temperatura e della pressione ogni sostanza può essere allo stato solido, liquido o gassoso. Normalmente in fisica quando si parla di solidi si intendono i solidi cristallini, cioè quelli in cui gli atomi sono disposti in maniera regolare tale che in qualsiasi direzione la loro disposizione si ripete indefinitamente ad una distanza ben determinata: si parla di un sistema ordinato. Il comportamento dei cristalli, anche se molti problemi sono ancora aperti, è ormai da tempo compreso sia dal punto di vista sperimentale che da quello teorico. Un esempio del livello a cui si è giunti nello studio dei cristalli è dato dai componenti elettronici a stato solido: transistor, microcircuiti, LED, celle fotovoltaiche.
Ma nella definizione data all’inizio può essere chiamato solido anche il vetro: il cristallo dei lampadari scintillanti è comunque un vetro, pregiato ma vetro. Il vetro è quello che si chiama un materiale amorfo, ovvero un materiale nel quale la disposizione degli atomi è assolutamente casuale senza ripetizioni regolari: si tratta di un sistema disordinato. Sono amorfi, oltre il vetro, alcuni materiali plastici, la parte solida che si deposita in una bottiglia d’olio quando è stata tenuta troppo al freddo, una candela di cera. Gli amorfi possono essere considerati il contrario dei cristalli. Ovviamente, come sempre succede, non esiste nella realtà un cristallo perfetto come non esiste un amorfo perfetto: nei cristalli può esserci una rottura dell’ordine in qualche punto e negli amorfi si formano delle strutture localmente ordinate ma sparse.
Una differenza sostanziale è che mentre il passaggio da liquido a solido cristallino avviene bruscamente a una temperatura ben definita – a pressione atmosferica l’acqua diventa ghiaccio a 0 °C – un liquido se diventa un solido amorfo lo fa in un intervallo, sia pure ristretto, di temperatura. Lo studio teorico dei solidi amorfi è stato generalmente impostato introducendo progressivamente del disordine in un cristallo perfetto, cioè spostando un certo numero di atomi dalla loro posizione regolare. Ora Carl P. Goodrich, Andrea J. Liu (dell’Università della Pennsylvania) e Sidney R. Nagel (dell’Università di Chicago), in un loro lavoro pubblicato su Nature Physics di luglio (Solids between the mechanical extremes of order and disorder), affrontano il processo in senso inverso partendo da un amorfo perfetto, che giustamente chiamano “anticristallo”, e andando verso il cristallo.
Il loro modello teorico permette di simulare le proprietà meccaniche degli amorfi e, estrapolando verso un maggior grado di ordine, di render conto di molti materiali abbastanza ordinati. Come per i materiali cristallini si tratta, per la prima volta, di una teoria unificata anche per i materiali amorfi. Questo è il primo passo per simulare il comportamento di materiali vetrosi e plastici ma anche di materiali policristallini, cioè formati dall’unione di molti piccoli cristalli, ciascuno dei quali ordinato, ma disordinati nel loro insieme: una situazione che si verifica in molti materiali metallici.
Foto: Passaggio graduale da un solido perfettamente disordinato (rosso) a un cristallo perfetto (blu). (Credit: University of Pennsylvania)
